与传统的单光子宽视野荧光显微镜相比，多光子显微镜（MPM）具有光学切片和深层成像等功能，这两个优势极大地促进了研究者们对于完整在体大脑深处神经的了解与认识。2019年，JeromeLecoq等人从大脑深处的神经元成像、大量神经元成像、高速神经元成像这三个方面论述了相关的MPM技术。想要将神经元活动与复杂行为联系起来，通常需要对大脑皮质深层的神经元进行成像，这就要求MPM具有深层成像的能力。激发和发射光会被生物组织高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，虽然可以通过增加激光强度来解决散射问题，但这会带来其他问题，例如烧坏样品、离焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度比较好的方法是用更长的波长作为激发光。通过钙成像技术发现神经元的活动与其内部的钙离子浓度密切相关。北京超微显微钙成像nVista
可见光激发Ca2+荧光探针与紫外光激发探针相比，可见光激发Ca2+探针具有更强的染料吸收性能，对Ca2+变化水平检测敏感度也更高，能够降低对活细胞的光毒性和样品自发荧光以及光散射的干扰，且无光谱偏移。常使用的可见光激发Ca2+荧光探针有Fluo-3，Fluo-4，Rhod-2等，同时他们也都是非比率型指示剂。Fluo-3是常用的可见光激发Ca2+荧光指示剂之一，是典型的的单波长指示剂，比较大激发波长为506nm，比较大发射波长为526nm。它与Ca2+结合之前几乎无荧光，结合后荧光会增加60至100倍，从而避免了细胞自身的荧光干扰。实际检测时推荐使用的激发波长为488nm左右，发射波长为525～530nm。Fluo-3可以用在激光共聚焦显微成像或流式细胞仪中。它还有一个升级版本Fluo-4，在相同Ca2+浓度下信号更强。北京超微显微钙成像nVista想要同时观察轴突和树突的钙离子信号，大视野是很重要的。
传统的宽场荧光显微镜由于光散射的影响，只能够对大脑浅层的神经元或在离体组织上进行成像，共聚焦显微镜由于光损伤较大，一般也只用于离体钙成像。随着荧光显微镜技术的迅速发展，在体钙成像技术得到了蓬勃发展。双光子荧光显微镜能够在进行活动动物成像的时候实现高分辨率和高信噪比。例如，用双光子显微镜对海马树突棘的钙离子信号进行成像，研究神经元突触后长时程yizhi(Wangetal.,2000)；观察活动小鼠运动皮层神经元在嗅觉选择任务中刺激相关电位(Komiyamaetal.,2010)等等。不过，这些实验还是需要对动物进行麻醉和固定，而神经科学领域很多研究更希望能够对自由活动的动物进行研究。
细胞内钙离子作为重要的信号分子其作用具有时间性和空间性。当个细胞兴奋时，产生了一个电冲动，此时，细胞外的钙离子流入该细胞内，促使该细胞分泌神经递质，神经递质与相邻的下一级神经细胞膜上的蛋白分子结合，促使这一级神经细胞产生新的电冲动。以此类推，神经信号便一级一级地传递下去，从而构成复杂的信号体系，较终形成学习、记忆等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中，钙离子同样扮演着重要的信号分子的角色。静息状态下大部分神经元细胞内钙离子浓度约为50-100nM，而细胞兴奋时钙离子浓度能瞬间上升10-100倍，增加的钙离子对于突触囊泡胞吐释放神经递质的过程必不可少。众所周知，只有游离钙才具有生物学活性，而细胞质内钙离子浓度由钙离子的内外流平衡所决定，同时也受钙结合蛋白的影响。细胞外钙离子内流的方式有很多种，其中包括电压门控钙离子通道、离子型谷氨酰胺受体、烟碱型胆碱能受体（nAChR）和瞬时受体电位C型通道（TRPC）等。钙成像系统支持联网，基于网络的软件可让您随时随地监控数据。
哥伦比亚大学ZuckermanMind大脑行为研究所的RuiM.Costa课题组于2020年10月7日在Cell杂志上发表了一篇题为AnAmygdalaCircuitMediatesExperience-DependentMomentaryArrestsduringExploration的文章，作者开发一种用于研究小鼠探索活动中瞬时停滞行为机制的新型实验，通过行为分析、环路映射、滔博生物-Inscopix自由活动钙成像显微镜结合光遗传学手段，提供介导经验依赖性的瞬时停滞行为的BLA神经元群体的jihuo和投射证据，表明BLA-CEA环路可以作为新颖/熟悉情境的检测器和效应器，用于基于空间位置的熟悉程度来生成自定进度的行为停滞，这一响应对于动物对未知环境进行安全有效的探索是至关重要的。通过钙成像技术检测活动动物记录神经元的活动。哈尔滨光遗传钙成像nVista
近年来出现了通过植入性的显微镜或透镜进行活动动物钙成像的技术。北京超微显微钙成像nVista
紫外光激发Ca2+荧光探针：Fura-2和Indo-1都是紫外光激发的双波长Ca2+荧光指示剂，也是目前较常用的比率型钙离子荧光探针。与其他代的荧光指示剂相比，它们的荧光信号更强，对Ca2+的选择性也更强。比率指示剂会在与Ca2+结合后会改变吸收/发射特性。以双波长激发指示剂Fura-2为例。如图2所示，低Ca2+浓度下，Fura-2在~380nm处激发，高Ca2+浓度下，在~340nm处激发。光谱由两个峰组成：左侧较短波长的吸收峰随Ca2+浓度的增加而增大，右侧较长波长的吸收峰随Ca2+浓度的增加而减小。通过340/380nm交替激发，获取在510nm处对应的发射光荧光强度的比率，就可以对Ca2+浓度进行定量的测量。因为Fura-2结果准确，且不易被漂白，所以得到了普遍使用。北京超微显微钙成像nVista
